城市空间形态对浅层地温能开发潜力的影响研究

周亮宇

(山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队,山东 临沂 276000)

引言

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般为200m）范围内的地下土壤、地下水中具有开发利用价值的地温热能。利用热泵技术将其采集利用后，可用于供暖和制冷。浅层地温能是一种新型可再生能源，具有清洁环保、分布广、储量大、埋藏较浅、可就近开发利用等特点，是未来替代化石能源的重要资源，可以减少污染物排放。

一、开发利用前景

当前，世界各国为了逐渐走向生态文明之路并有效实现可持续发展，越来越重视“低碳经济”的发展。2009年世界气候大会在哥本哈根举行，中国政府关于减排的承诺，充分展示了中国谋发展、促合作、负责任的大国形象。目前，“低碳”正成为国民的共识，那么我国在当前的热点议题便转向了怎样通过产业结构的有效调整以及经济的快速发展来实现“低碳减排”的目标。为了将我国社会经济的发展能力有效提升，“低碳竞争力”是一个关键点。在我国对浅层地温能的开发程度仍处于起步时期，但是在国外，其早已被广泛开发并使用。它作为一种可再生的绿色能源而被越来越多的国家重视起来，其发挥的作用也较为显著，因此在近期，我国极力促进与发展开发利用浅层地热能。在我国经常使用浅层低温能来提供制冷与供暖，举例来讲在临沂市，中心城区2020年新增浅层地热能利用建筑面积100万平方米，到2025年，中心城区利用浅层地热能的建筑面积新增200万平方米，而在北京地源热泵系统使用在众多标志性工程之中，如奥运村以及国家大剧院等等。

二、城市空间形态对浅层地温能开发潜力的影响

（一）基于供需平衡的地温能开发适宜性评价指标

采用未区分季节的瞬时供需比作为GSHP系统适宜性准则。但地区气候差异影响不可忽略。本文将瞬时供需比区分为冬夏季两种情况，并引入每年冬夏换热累计供给比作为衡量地温场稳定性的评价指标，即：某地块有效利用浅层地温能，应当同时满足瞬时供需平衡、全年冬夏累计换热量均衡这两个条件。前者是通过GSHP系统为建筑供暖/制冷的地温能瞬时功率与建筑热/冷负荷强度的比值;后者是GSHP系统每年冬季从岩土层换取的总热量与夏季累计向岩土层释放的总热量的比值。当冬夏季累计换热量比值接近1.0时，即认为岩土温度场长期运行趋于稳定。

（二）加强地质环境监测工作

在开发利用浅层地温能时，要加强对地质环境的监测，逐步建立浅层地温能地质环境监测网。对于新的浅层地温能开发项目，为了便于日后的监测，地质环境监测系统必须同步建立。对于埋地地源热泵而言，地质环境监测系统的主要功能是监测地温场的变化。对于地下水型地源热泵系统，人们必须根据各种因素（如地温、地下水水质和水位）进行长期监测。一旦发现异常，必须立即采取适当的措施来解决地下水污染和地下温度场长期单向变化等问题。

（三）冬夏换热累计供给比(W/S)变化规律和特征

冬夏累计供给比与瞬时供需比存在一定规律性。不同建设模式下，平房区用地W/S值在0.82～1.04间变化，冬夏累计换热量较均衡。(1)当R值大于等于1.0时，W/S值均在0.82左右。地温能供给量计算均取建筑冷热负荷强度上限，而冬季负荷略低于夏季，但热效高于夏季，故W/S值小于1.0。(2)当冬季Rh大于1.0且夏季Rc小于1.0时，则W/S值上升到0.9附近。此时冬季累计供给量计算采用建筑负荷强度上限，而夏季累计供给量计算采用实际功率并小于负荷上限，故W/S值小幅上升。(3)当冬夏季R均小于1.0时，W/S值上升到1.04。此时W/S计算采用冬夏季实际换热功率，而冬季供热周期长于夏季，故W/S值明显上升。

结语

(1)老城区在容积率总体较低的条件下，在地下30～50m常规深度范围开发浅层地温能资源，以居住功能为代表，基本具备建筑供热制冷的瞬时供给能力，且大部分满足长期运行后岩土体温度场全年冬夏换热平衡的稳定性要求。低密度老城区具有适宜推广GSHP技术的重要情景，该结论同样适合于中小城镇和新农村建设。(2)当埋管深度30～50m时，研究区安装GSHP系统带来的建筑供暖制冷情景计算结果节能率达到57%～74%，浅层地温能利用对节能减排作用明显。(3)以居住功能为对象，冬夏季瞬时供需比、冬夏换热累计比作为衡量GSHP宏观适宜性门槛，完善了适宜性评判标准，可提高潜力评价的精细度。